Структурно-функциональные особенности фотосинтетического аппарата растений семейства Pyrolaceae в техногенных местообитаниях

В условиях существенного роста антропогенных нагрузок, сопровождающегося глобальными и локальными изменениями биосферных процессов, все более актуальным является изучение механизмов устойчивости биоты как в естественных, так и трансформированных экосистемах.

Pyrolaceae (грушанковые) – небольшое семейство, включающее вечнозеленые травы и кустарнички, которые встречаются в подлеске хвойных, а иногда – смешанных лесов северного полушария. Многие виды данного семейства характеризуются переходным характером жизненных форм, сложностью длительного жизненного цикла [1].

Растения из семейства Pyrolaceae давно привлекают к себе внимание исследователей: изучалась внутривидовая изменчивость надземных и подземных органов [10]; проводилась оценка особенностей морфологического строения на разных стадиях развития [1], [2]. Некоторые работы посвящены исследованию химического состава грушанковых в связи с их лекарственными свойствами [13], [17]. Установлено, что виды данного семейства в условиях сильного затенения могут быть частичными микогетеротрофами: они способны комбинировать углеродное питание за счет фотосинтеза и микоризы [18], [20], [21].

Фотосинтез является одной из основополагающих функций растений, обеспечивающих их энергией и субстратами, необходимыми для роста и развития. В процессе адаптации к факторам среды у растений происходят изменения мезоструктуры фотосинтетического аппарата, которые обеспечивают им оптимальное функционирование даже в неблагоприятных условиях.

Работ, посвященных изучению мезоструктуры фотосинтетического аппарата Pyrolaceae, особенно в нарушенных местообитаниях, крайне мало [4], [11]. Между тем структурно-функциональные изменения фотосинтетического аппарата являются одним из путей повышения неспецифической устойчивости растений.

Цель исследования – изучение структурнофункциональных показателей фотосинтетического аппарата у некоторых видов растений семейства Pyrolaceae, произрастающих в трансформированных местообитаниях на техногенных субстратах (золоотвал).

Оценка адаптивных возможностей и потенциала устойчивости растений позволяет решать разнообразные фундаментальные и прикладные задачи, а также прогнозировать поведение видов и состояние экосистем при возрастании техногенных нагрузок.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектами исследований были 4 вида семейства Pyrolaceae: Pyrola rotundifolia L. (грушан-ка круглолистная), Pyrola media Sw. (грушанка средняя), Pyrola chlorantha Sw. (грушанка зеленоцветковая), Chimaphila umbellata (L.) W. Barton (зимолюбка зонтичная). Исследованные виды характеризуются наличием длинных корневищ, кожистых листьев, значительным сходством фи-тоценотической приуроченности, являются сим-биотрофами [2].

Исследования проводили в трансформированном и естественном растительных сообществах (таежная зона, подзона южной тайги). Сбор материала проводили в первой декаде июля 2013 года.

Золоотвал Верхнетагильской государственной районной электростанции (ВТГРЭС – 57°23’00’’ с. ш.; 59°56’00’’ в. д.; площадь 125 га) расположен в Кировоградском районе Свердловской области, в 5 км от г. Верхний Тагил.

Зола каменных и бурых углей, складируемая в золоотвалы, является специфическим субстратом, обладающим рядом особенностей. По механическому составу она представлена фракциями песка и пыли с большой примесью измельченного шлака. Для золы характерна низкая вла-гоемкость, слабая теплопроводность, щелочная реакция среды, следовые количества или полное отсутствие азота, недостаточное содержание калия и в некоторых случаях – фосфора в доступной для растений форме [5]. В золе обнаружено повышенное содержание микроэлементов, в том числе тяжелых металлов. Так, например, в золе золоотвала ВТГРЭС содержание Ni выше, чем в почвах Урала, почти в 2 раза, Zn – в 2,8–3,4 раза, Pb – в 3,6–4,7 раза, Cu – в 5,5–8,6 раза.

Изучение некоторых особенностей роста и развития растений в условиях золоотвалов показало, что у них наблюдаются отставание в росте в сравнении с контрольными, выросшими на почве, изменение окраски листьев (пурпурные пятна) и повышенная ломкость стеблей, увеличение содержания металлов в тканях растений.

Отбор растительного материала проводили на нерекультивированном участке золоотвала ВТГРЭС, в мелколиственном лесу. Древесный ярус представлен Populus tremula L., Betula pen-dula Roth., B. pubescens Ehrh., Pinus sylvestris L. Сомкнутость крон составляет 0,7. Из кустарников встречаются Salix myrsinifolia Salisb., S. cap-rea L., S. pentandra L., Padus avium Mill., Sorbus aucuparia L. Формируется разреженный травянокустарничковый ярус с общим проективным покрытием 20–25 %, c преобладанием таких видов, как Pyrola rotundifolia L., P. chloranta Sw., Chimaphila umbellata (L.) W. Barton., Orthilia secunda (L.) House, Calamagrostis epigeios (L.) Roth. (sp gr ).

В качестве контроля были отобраны образцы растений в естественном растительном сообществе (сосняк-черничник; сомкнутость крон – 0,7–0,8), расположенном в районе биологической станции УрФУ, в 50 км к юго-востоку от г. Екатеринбурга.

Для изучения мезоструктурных характеристик фотосинтетического аппарата растений из каждого местообитания с 10-15 особей исследованных видов, находившихся в генеративной фазе, отбирали по 3–5 сформированных листьев. Листовые высечки фиксировали в 3,5 % растворе глутарового альдегида в фосфатном буфере (рН = 7,0). Измерения толщины листа, мезофилла и эпидермиса (n = 15) проводили на полученных с использованием замораживающего микротома МЗ-2 (Россия) поперечных срезах листьев. Подсчет числа клеток в единице площади листа выполняли в счетной камере Горяева после мацерации тканей в 20 % растворе КОН (n = 20). Измерение и расчет размеров клеток мезофилла и хлоропластов (n = 30) осуществляли с использованием программы Simagis Mesoplant (ООО «СИАМС», Россия), с помощью светового микроскопа Meiji MT 4300L («Meiji Techno», Япония) согласно методике [15].

Содержание фотосинтетических пигментов определяли в этанольном экстракте (96 %). Концентрацию пигментов рассчитывали по H. K. Li-chtenthaler [16] на сухую массу листа. Определение содержания фотосинтетических пигментов проводили в трех биологических и трех аналитических повторностях.

Статистическую обработку данных осуществляли в MS Excel 2016. Для оценки достоверности различий параметров использовали критерий Манна – Уитни при уровне значимости p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ структуры фотосинтетического аппарата изученных видов показал, что листья Pyrola rotundifolia и P. media характеризовались гомогенным типом строения мезофилла. Поскольку эти виды обитают в условиях сильного затене- ния, под пологом леса, мезофилл листа не дифференцирован. Площадь листа у данных растений в среднем составляла 9,5 см2. Размеры листа у P. chlorantha и Chimaphila umbellata были значительно меньше (средняя площадь – 3 см2), однако листовые пластинки – более толстые. Мезофилл листа у этих видов дорзовентральный. Необходимо отметить, что доля губчатого мезофилла в ассимиляционной ткани листа существенно выше, чем палисадного. Установлено, что изученные нами виды растений из контрольного местообитания и с золоотвала по площади листа достоверных различий не имели.

Исследование таких параметров листьев, как толщина листа, мезофилла и эпидермиса, также показало отсутствие достоверных отличий у большинства видов из контрольного местообитания и с золоотвала (табл. 1). Исключение составила Pyrola rotundifolia , у которой особи с золоотвала характеризовались меньшей толщиной листа, что, в свою очередь, связано с достоверным уменьшением толщины мезофилла. Это согласуется с результатами исследований,

Таблица 1

Толщина листа, мезофилла и эпидермиса у исследованных видов

Местообитание

Показатели

Толщина листа, мкм

Толщина мезофилла, мкм

Толщина эпидермиса, мкм

Pyrola rotundifolia

Биостанция (контроль)	Cреднее	190,0 ± 5,0	147,8 ± 4,1	42,2 ± 1,5
	lim	172,7–237,00	132,7–186,4	33,7–50,6
	Cv, %	10,2	10,7	13,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Cреднее	165,8 ± 4,2	127,9 ± 4,1	37,9 ± 1,4
	lim	142,2–200,1	105,7–156,2	28,2–46,5
	Cv, %	9,9	12,3	14,5

Pyrola media

Биостанция (контроль)	Среднее	167,0 ± 3,7	129,7 ± 3,5	37,3 ± 1,5
	lim	151,3–196,9	113,7–154,3	24,4–47,0
	Cv, %	8,6	10,6	15,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	158,8 ± 4,1	123,7 ± 3,7	35,1 ± 2,0
	lim	135,6–187,8	107,6–148,9	21,8–50,4
	Cv, %	10,0	11,6	22,1

Pyrola chlorantha

Биостанция (контроль)	Среднее	260,7 ± 6,4	210,0 ± 5,8	50,6 ± 1,5
	lim	224,8–309,4	171,1–258,6	40,5–61,9
	Cv, %	9,4	10,7	11,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	281,2 ± 14,9	229,7 ± 14,4	51,4 ± 2,3
	lim	214,0–406,8	165,3–363,0	32,2–63,5
	Cv, %	20,5	24,3	17,3

Chimaphila umbellata

Биостанция (контроль) Среднее 399,1 ± 10,5 354,7 ± 11,0 44,3 ± 1,6 lim 336,9–466,3 292,8–431,6 33,1–54,1 Cv, % 10,2 12,0 14,0 ВТГРЭС (золоотвал) Среднее 405,3 ± 5,9 354,4 ± 6,3 51,0 ± 3,7 lim 365,1–446,8 320,8–400,1 34,0–92,6 Cv, % 5,6 6,9 28,5 проведенных нами ранее. Показано, что листья Pyrola rotundifolia и Orthilia secunda, произрастающих на промышленных отвалах, отличались от контрольных растений достоверно меньшей величиной толщины листовой пластинки. Для данных видов эти изменения были связаны со статистически значимым снижением толщины слоя клеток мезофилла [4], [11].

Следует отметить, что в литературе зафиксированы и противоположные тенденции (увеличение толщины листовой пластинки растений при действии стрессовых факторов) [12], [14].

В ходе исследования мезоструктуры фотосинтетического аппарата грушанковых были изучены также: объем клеток мезофилла и хлоропластов, их количество в единице площади листа, число хлоропластов в клетке мезофилла (табл. 2–4).

У большинства изученных видов (за исключением Pyrola rotundifolia) растения из естественного местообитания и с золоотвала по объему клеток мезофилла достоверно не отличались. Однако количество клеток в единице площади листа достоверно изменялось. Эти изменения были разнонаправленными: у P. rotundifolia и P. chlorantha с золоотвала число клеток мезофилла на см2 листа было достоверно ниже (в среднем на 25 %), чем у растений контрольного местообитания. Напротив, в техногенной среде растения P. media и Chimaphila umbellata характеризовались большим числом клеток в единице площади листа (в 1,3-1,5 раза).

Перестройки фотосинтетического аппарата в ответ на стрессовые факторы среды нередко связаны с изменениями размеров и числа пластид в клетке. У всех видов рода Pyrola , произрастающих на золоотвале, объем хлоропластов был достоверно меньше (в среднем на 40 %) по сравнению с растениями из естественного местообитания (табл. 3, 4). В наибольшей степени уменьшение объема хлоропластов проявлялось у P. rotundifolia (на 74 %). Эти изменения сопровождались достоверным увеличением числа хлоропластов в клетке: максимальное их количество (до 35 хлоропластов) наблюдалось в клетках палисадного мезофилла P . chlorantha .

Таблица 2

Объем и количество клеток мезофилла у исследованных видов

Местообитание

Показатели

Объем клетки мезофилла, тыс. мкм3

Количество клеток мезофилла, тыс./см2

Pyrola rotundifolia

Биостанция (контроль)	Среднее	20,0 ± 1,4	255,1 ± 13,2
	lim	8,1–46,9	161,6–432,9
	Cv, %	38,3	23,1
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	10,1 ± 0,6	193,8 ± 10,2
	lim	4,7–17,6	139,5–288,6
	Cv, %	34,7	23,5

Pyrola media

Биостанция (контроль)	Среднее	31,5 ± 3,1	148,0 ± 3,2
	lim	12,8–66,1	122,3–179,7
	Cv, %	52,1	9,8
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	42,9 ± 4,4	191,6 ± 6,7
	lim	8,8–107,3	137,2–248,2
	Cv, %	55,9	15,6

Pyrola chlorantha

Биостанция (контроль)	Среднее	25,5 ± 3,1	409,8 ± 14,4
	lim	8,6–82,5	324,7–512,3
	Cv, %	67,3	15,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	23,2 ± 1,6	301,5 ± 7,3
	lim	7,7–53,1	233,6–360,9
	Cv, %	39,8	10,8

Chimaphila umbellata

Биостанция (контроль)	Среднее	28,3 ± 2,9	206,5 ± 35
	lim	8,5–66,8	182,9–235,9
	Cv, %	55,8	7,54
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	28,5 ± 1,9	303,3 ± 6,5
	lim	11,2–50,6	264,6–375,2
	Cv, %	37,1	9,5

Таблица 3

Объем и число хлоропластов у Pyrola rotundifolia и P. media

Местообитание

Показатели

Объем хлоропласта, мкм3

Число хлоропластов в клетке

Число хлоропластов, млн/см2

Pyrola rotundifolia

Биостанция (контроль)	Среднее	46,2 ± 3,0	12,0 ± 0,5	3,1 ± 0,2
	lim	18,1–67,7	8,0–17,0	1,9–5,2
	Cv, %	33,5	21,8	23,1
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	13,9 ± 0,7	15,0 ± 0,5	2,9 ± 0,2
	lim	8,0–23,0	10,0–19,0	2,1–4,3
	Cv, %	27,9	16,8	23,5

Pyrola media

Биостанция (контроль)	Среднее	34,9 ± 2,1	18,5 ± 0,8	2,7 ± 0,1
	lim	17,5–62,5	12,0–26,0	2,3–3,3
	Cv, %	32,5	23,0	9,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	31,4 ± 1,4	23,5 ± 0,5	4,5 ± 0,2
	lim	13,0–41,3	16,0–29,0	3,2–5,8
	Cv, %	7,7	12,7	15,6

Таблица 4

Объем и число хлоропластов у Pyrola chlorantha и Chimaphila umbellata

Местообитание

Показатели

Объем хлоропласта, мкм3

Число хлоропластов в палисадной клетке

Число хлоропластов в губчатой клетке

Число хлоропластов, млн/см2

Pyrola chlorantha

Биостанция (контроль)	Среднее	41,0 ± 2,3	14,0 ± 0,5	18,0 ± 0,4	8,0 ± 0,3
	lim	23,3–68,4	16,0–26,0	15,0–23,0	6,3–10,0
	Cv, %	31,2	2,8	10,8	15,7
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	28,8 ± 1,5	27,8 ± 0,7	21,0 ± 0,5	10,8 ± 0,2
	lim	15,7–51,0	19,0–35,0	13,0–26,0	5,8–8,9
	Cv, %	29,0	13,6	12,8	10,8

Chimaphila umbellata

Биостанция (контроль)	Среднее	15,6 ± 0,7	13,0 ± 0,5	18,0 ± 0,4	3,2 ± 0,1
	lim	8,8–23,2	10,0–20,0	13,0–22,0	2,8–3,6
	Cv, %	24,1	19,5	12,7	7,5
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	39,1 ± 2,0	20,1 ± 0,6	16,0 ± 0,4	5,4 ± 0,1
	lim	20,8–61,2	14,0–26,0	12,0–20,0	4,7–6,7
	Cv, %	27,6	16,0	15,2	9,5

Напротив, у Chimaphila umbellata с золоотвала размеры хлоропластов были существенно (в 2,4 раза) выше, чем у растений из естественного местообитания, при этом число пластид в клетках губчатого мезофилла достоверно не различалось (табл. 4).

Анализ числа хлоропластов в единице площади листа у изученных видов показал, что в техногенных местообитаниях этот показатель у растений либо не изменялся и составил в среднем 3 млн на см² ( Pyrola rotundifolia ), либо существенно (в 1,7 раза) увеличивался ( P. media, P. chlorantha и Chimaphila umbellata ).

Увеличение количества пластид в единице площади листа у растений изученных видов имеет адаптивный характер, поскольку это способствует увеличению внутренней ассимилирующей поверхности листьев в техногенных условиях среды.

Известно, что пигментный аппарат листа, непосредственно участвующий в поглощении и преобразовании энергии солнечного света, весьма чувствителен к антропогенному воздействию. Как правило, антропогенное загрязнение окружающей среды вызывает существенные изменения в пигментном комплексе растений.

Например, показано существенное снижение содержания хлорофилла а (хл a ) и каротиноидов в листьях лекарственных растений при действии токсикантов, при этом хлорофилл b (хл b ), входящий в состав светособирающего комплекса, был более устойчив к их влиянию [6], [11].

M. Stiborova с соавторами в своей работе показали, что при наличии в среде инкубирования ионов тяжелых металлов (Cu, Cd, Pb), даже в низких концентрациях, суммарное содержание хлорофиллов у проростков ячменя и кукурузы снижалось [19]. Некоторыми авторами, напротив, отмечаются адаптивные изменения в пигментном аппарате в ответ на загрязнение окружающей среды. Обнаружено, что содержание пигментов в листьях растений в стрессовых условиях может увеличиваться, как следствие перестроек, направленных на повышение эффективности деятельности фотосинтетического аппарата [7], [8].

Результаты исследования показали, что у большинства изученных видов в техногенных местообитаниях содержание хлорофиллов увеличивалось в среднем в 1,5 раза. Это происходило за счет существенного увеличения концентрации хл b . При этом достоверных различий в содержании хл a у растений из естественных и техногенных местообитаний обнаружено не было (табл. 5).

Однако для всех исследованных видов растений с золоотвала было показано существенное

(в среднем в 1,8 раза) уменьшение концентрации каротиноидов в листьях, что в наибольшей степени проявлялось у Pyrola media (см. табл. 5). По-видимому, снижение содержания каротиноидов у растений с техногенного местообитания связано с окислением этих пигментов в процессе реализации ими антиоксидантной функции.

Отмечено также, что для растений с золоотва-ла соотношение хл a /хл b было в 3-5 раз ниже, чем у растений с контрольного местообитания. Максимальное снижение этого показателя (с 5,1 до 1,2) наблюдалось у Pyrola media. Это объясняется увеличением концентрации хлорофилла b . Отношение суммы хлорофиллов к каротиноидам у растений из техногенных местообитаний, напротив, было достоверно выше (до 6,7 у Pyrola media ) вследствие значительного уменьшения содержания каротиноидов.

Известно, что у растений в норме данные показатели весьма стабильны, что указывает на устойчивость пигментного комплекса, однако они существенно изменяются при стрессе [9]. Вероятно, у изученных нами растений, произраста-

Таблица 5

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях исследованных видов

Местообитание

Показатели

Хл a , мг/г сух. веса

Хл b , мг/г сух. веса

Хл a + b , мг/г сух. веса

Каротиноиды, мг/г сух. веса

Pyrola rotundifolia

Биостанция (контроль)	Среднее	2,37 ± 0,10	0,60 ± 0,05	2,98 ± 0,13	1,10 ± 0,04
	lim	2,05–2,57	0,45–0,75	2,50–3,24	0,96–1,20
	Cv, %	9,08	18,92	9,60	8,74
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	2,29 ± 0,16	1,59 ± 0,25	3,88 ± 0,41	0,94 ± 0,02
	lim	1,82–2,49	0,88–2,03	2,69–4,53	0,90–0,97
	Cv, %	13,95	31,42	20,97	3,27

Pyrola media

Биостанция (контроль)	Среднее	2,50 ± 0,09	0,50 ± 0,03	2,99 ± 0,11	2,62 ± 0,06
	lim	2,23–2,67	0,38–0,55	2,73–3,22	2,42–2,75
	Cv, %	7,87	13,63	7,99	5,17
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	2,85 ± 0,14	2,35 ± 0,22	5,20 ± 0,34	0,78 ± 0,05
	lim	2,48–3,10	1,90–2,81	4,5–25,82	0,67–0,90
	Cv, %	9,65	18,98	13,06	12,50

Pyrola chlorantha

Биостанция (контроль)	Среднее	1,63 ± 0,09	0,34 ± 0,03	1,97 ± 0,12	0,64 ± 0,02
	lim	1,41–1,87	0,26–0,43	1,70–2,30	0,59–0,70
	Cv, %	12,20	18,68	13,18	7,64
ВТГРЭС (золоотвал)	Среднее	1,54 ± 0,12	0,59 ± 0,15	2,13 ± 0,23	0,37 ± 0,07
	lim	1,36–2,02	0,29–1,09	1,67–2,80	0,25–0,60
	Cv, %	17,68	58,10	24,18	40,19

Chimaphila umbellata

Биостанция (контроль) Среднее 1,56 ± 0,07 0,49 ± 0,02 2,05 ± 0,09 1,31 ± 0,06 lim 1,38–1,73 0,44–0,57 1,82–2,30 1,16–1,46 Cv, % 9,49 11,40 9,80 10,35 ВТГРЭС (золоотвал) Среднее 1,71 ± 0,17 1,50 ± 0,14 3,21 ± 0,25 1,03 ± 0,11 lim 1,30–2,21 1,17–1,96 2,57–3,64 0,65–1,28 Cv, % 22,58 20,67 17,58 24,54 ющих на техногенных субстратах, произошли адаптивные изменения пигментного комплекса к существующим условиям: уменьшение содержания каротиноидов компенсировалось увеличением содержания хл b. Вследствие этого отношение хл b + каротиноиды / хл a, характеризующее долю антенных форм фотосинтетических пигментов, достоверно не изменилось (в среднем составило 1,0). Данный факт, по-ви-димому, может свидетельствовать об устойчивости пигментного комплекса изученных видов семейства Pyrolaceae к техногенным условиям произрастания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Адаптивные реакции растений к изменению факторов окружающей среды включают различные структурно-функциональные перестройки. Они позволяют растениям минимизировать стрессовые воздействия и одновременно максимально полно использовать внутренние ресурсы. Структура фотосинтетического аппарата листа отражает приспособленность вида к условиям обитания, внутренняя организация мезофилла определяет скорость и эффективность процессов фотосинтеза, роста и развития растения в целом. На основе полученных результатов можно заключить, что изученные виды семейства Pyrolaceae успешно адаптировались к техногенным условиям среды: параметры листьев и клеток мезофилла существенно не изменились, однако вследствие увеличения числа хлоропластов на единицу площади возросла внутренняя ассимилирующая поверхность. В листьях растений увеличилось содержание хлорофилла b и, несмотря на снижение количества каротиноидов, осталось неизменным соотношение, характеризующее долю антенных форм фотосинтетических пигментов.

* Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания УрФУ № 2017/236, код проекта 7696.